塑殼斷路器瞬動校驗電流誤差分解與控制方法

王金偉，杜太行

（河北工業(yè)大學 電氣工程學院，天津 300130）

0 引言

斷路器是低壓保護類電器的代表性產品，它的可靠性直接關系到電網和用電設備的安全，斷路器的誤動和拒動都會帶來巨大的損失.近年來由于斷路器故障引起的火災和大面積停電事故的例子舉不勝舉.因此，人們非常重視對這類保護性電器的研究.

斷路器的短路保護又稱為瞬動保護，GB/Z22074-2008《塑料外殼式斷路器可靠性試驗方法》規(guī)定：當塑殼斷路器觸頭回路流過8倍額定電流時，斷路器在200毫秒內不能脫扣、流過12倍額定電流時在200毫秒內必須脫扣[1].斷路器瞬動保護整定方法是：根據(jù)標準要求產生相應的校驗電流，觀察其是否有脫扣的情況.當不滿足要求時，調整內部的機械結構使其達到瞬動保護的要求[2-3].為了保證瞬動保護的可靠性，要求瞬動校驗電流始終保持一定的精度，不受斷路器內阻、環(huán)境溫度以及調試裝置本身的影響，并盡量減小電路閉合時流過斷路器觸頭的交流電流的非周期分量[4].

然而，Hartford Insurance公司的一項調查顯示：空氣斷路器在電力系統(tǒng)失效率為19.5%.NETA（InterNational ElectricalTesting Association）公司對斷路器測試結果顯示失效率超過15%.斷路器存在失效問題[5]，失效原因是斷路器產品通過出廠例行檢測后，在實際使用中依然出現(xiàn)誤動和拒動現(xiàn)象，由此反映出斷路器產品出廠前調試技術落后，校驗電流沒能達到規(guī)定的要求.

1 校驗電流誤差產生的原因

由于塑殼斷路器調試回路中包括調壓器（TA）、大電流變壓器（TB）、電磁脫扣器等電氣單元，如圖1所示，主回路呈現(xiàn)感性.

如果采用隨機合閘的方式施加電壓，產生的試驗電流中含有暫態(tài)分量[6]，見公式1.

圖1 塑殼斷路器短路電流調試電路Fig.1 MCCB short-circuitcurrentdebugging circuit

式中： 為試驗裝置主回路功率因數(shù)角； 為試驗電流峰值； 為電源電壓合閘相位。

從式 (1)可以看出，校驗電流 由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量兩部分組成.是校驗電流穩(wěn)態(tài)分量，是期望的校驗電流.電流暫態(tài)分量.

由此可以得到，校驗電流誤差由兩部分組成：1）是施加電壓不準確產生的電流幅值 誤差；2）是隨合閘相角變化的電流暫態(tài)分量，這個暫態(tài)分量就是標準中提到非周期分量.

其中：電流暫態(tài)分量是隨合閘相角變化的，從理論上來說，其變化范圍為1～0 .電流暫態(tài)分量不但對校驗電流的大小產生影響，而且也影響到對電壓不準確所產生的電流幅值誤差的判斷.因此，當校驗電流產生后，對其誤差的分解是下次試驗時消除誤差的基礎.

2 校驗電流的誤差分解

瞬動校驗是可以重復進行的.因此，可以參考上次的誤差調節(jié)本次的控制量消除誤差，實現(xiàn)廣義的閉環(huán)控制.從控制理論的角度來說，校驗電流發(fā)生系統(tǒng)是一個雙輸入、單輸出的系統(tǒng).輸入分別為：施加電壓的大小、合閘相角；輸出為電流.對于電流誤差的分解（解耦）是實現(xiàn)精確控制的關鍵[7].

2.1 合閘相角誤差

從式 (1)觀察可得，當合閘相角等于系統(tǒng)功率因數(shù)角時，即 =0，暫態(tài)分量2= sin/tan為0，否則就會存在暫態(tài)分量.求合閘相角誤差的方法為對公式1的等式兩邊從0～取積分，可得

取 =2 /，其中 取整數(shù)，并且保證 4tan/.由于周期函數(shù)的特性，式 (2)右面的第一項為0.

設 = 代入式 (2)整理后可得

式 (3)等式左面對校驗電流 0～ 的積分，可以用0～ 校驗電流采樣值之和來代替，可得

式中： 為校驗電流的采樣周期.

根據(jù)式 (4)可見，合閘相角誤差 近似于暫態(tài)分量的和成正比.

2.2 校驗電流幅值誤差

產生的校驗電流有穩(wěn)態(tài)分量1和暫態(tài)分量2兩部分組成.其中暫態(tài)分量2是呈現(xiàn)指數(shù)衰減的，一般認為當 4tan 后20.因此，檢測到的試驗電流數(shù)組中取靠后的一段就可以認為只包含穩(wěn)態(tài)分量1.用這段數(shù)據(jù)可以方便的求取電流的有效值 .它與預期的校驗電流*之間的誤差 =*，即為幅值誤差.

2.3 校驗電流的評價方法

建立評價機制，制定評價容限，當誤差超過容限值，判定本次試驗無效.當誤差在容限范圍內時，判定本次校驗電流合格.

校驗電流的選相合閘誤差和幅值誤差的產生，來自試驗設備的不同環(huán)節(jié)，幅值誤差來自電壓控制與調整環(huán)節(jié)，選相合閘誤差來自功率因數(shù)檢測與選相執(zhí)行環(huán)節(jié).因此，對校驗電流的評價也需要分別進行.如果其中有一個環(huán)節(jié)誤差超標就可以認為校驗電流的精度沒有達到要求.

校驗電流幅值誤差的評價可以采用相對誤差 表示.假定相對誤差不超過3%為合格.即

可以根據(jù)式 (3)非周期分量之和表示相對誤差 ，來評價選相合閘誤差.假定最大相對誤差不超過5%為合格.令 =sin tan 5%，可得

從式 (6)可見，對 的限定，實際是對選相角精度提出的要求.

3 校驗電流的逐步逼近控制

3.1 控制系統(tǒng)組成

校驗電流持續(xù)時間為200ms，在如此短的時間內，對一個周期性的變量采用常規(guī)的反饋控制，來保證周期變量的幅值精度是無法現(xiàn)實的.然而，斷路器瞬動試驗是可以重復進行的.當校驗電流產生后，根據(jù)上述評價方法對校驗電流的誤差進行分析評價.電流達到要求時，認可試驗結果，否則依據(jù)誤差分解的結果，分別進行控制參數(shù)調節(jié)，保證下一次校驗電流的精度.這樣可以將試驗系統(tǒng)看作是一個廣義的閉環(huán)系統(tǒng)，每次校驗電流的誤差，作為反饋量來修正下次的控制量，逐步消除誤差，逼近期望值[8].

校驗電流控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.

系統(tǒng)包含3個部分：電流產生機構、電流評價與誤差分解環(huán)節(jié)和逐步逼近復合控制器.

圖2 校驗電流控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Calibration currentcontrolsystem block diagram

3.2 校驗電流逐步逼近復合控制器

控制器分為電流幅值控制器和選相控制器.

3.2.1 電流幅值控制器

為了保證校驗電流幅值，施加試驗電壓有效值 的計算方法見式 (7).

式中：1為額定電流對應試驗電壓有效值； 為預期電流*與額定電流的比值；*為克服非線性影響的電壓補償系數(shù)； 為校驗電流幅值穩(wěn)態(tài)誤差之和； 為控制系數(shù)。

電壓補償系數(shù)*，可以根據(jù)專家經驗獲取[9]，保存到列表中，根據(jù)期望電流的等級查詢得到.

3.2.2 選相控制器

為了消除校驗電流暫態(tài)分量，合閘相角 的計算方法見式 (8).

式中：1為額定電流時檢測到的功率因數(shù)角； 為前一次合閘相角誤差，計算方法如式(4)； 為控制系數(shù)。

圖3 系統(tǒng)仿真框圖Fig.3 Block diagram of the system simulation

4 算法仿真

首先建立各個環(huán)節(jié)傳遞關系，搭建仿真平臺，系統(tǒng)如圖3所示.

該仿真系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)，1）逐步逼近控制器、電流誤差分解和試驗邏輯控制，它采用S-Function實現(xiàn)控制算法；2）電動調壓器環(huán)節(jié)，采用zo子系統(tǒng)實現(xiàn)電壓的傳遞算法；3）大電流變壓器子系統(tǒng)[10]，采用ddm子系統(tǒng)實現(xiàn)電壓的傳遞算法；4）試品的電磁脫扣環(huán)節(jié)，Zd子系統(tǒng)模擬其阻抗.外加電壓POWERSOURCE有效值為380 V，期望電流為2 500 A.

仿真控制邏輯如圖4所示.

仿真試驗電流波形如圖5所示，仿真中第1次試驗的試驗電壓和合閘相角初值是隨意給定的，第1次產生的試驗電流波形存在嚴重暫態(tài)過程，電流的穩(wěn)態(tài)幅誤差也較大.通過對第1次試驗電流誤差分解和逐步逼近控制器調節(jié)，第2次試驗校驗電流有效值為2 513 A，幅值誤差為0.52%，基本不含暫態(tài)分量.由此可以證明，本文闡述的斷路器瞬動校驗電流誤差分析評價，以及逐步逼近控制方法，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)校驗電流的幅值和相角誤差的精確控制.

圖4 系統(tǒng)仿真控制邏輯圖Fig.4 Control logic diagram of system simulation

5 結論

將該技術應用到試驗設備上，實際測量校驗試驗現(xiàn)場電流波形如圖6所示.為了方便觀察和對比，試驗電流、電壓波形經過了歸一化處理.試驗分為額定電流試驗，8倍額定電流試驗，12倍額定電流試驗3部分，通過額定電流試驗，測量空載電壓1和回路的功率因數(shù)角1.

采用逐步逼近控制，在8倍和12倍額定電流試驗過程中，試驗值電流可以達到較高精度，且基本不含非周期分量，滿足試驗要求.

圖5 校驗電流仿真波形圖Fig.5 Calibration currentsimulationwaveform

[1]MutzelT，BergerF，AnheuserM.The53rd IEEEHolm Conference on Electrical Contacts[C]//Pittsburgh：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2007：37-42.

[2]Kimblin CW，Long RW.Comparing test requirements for lowvoltagecircuitbreakers[J]. IEEE Industry ApplicationsMagazine，2000，6（1）：45-52.

[3]Sprague M J.Service-life evaluations of low-voltage power circuit breakersandmolded-casecircuitbreakers[J].IEEETransactionson Industry Applications，2001，37（1）：145-152.

[4]RamosM JS.The47th InternationalConferenceon Universities Power Engineering(UPEC)[C]//London:Instituteof Electricaland Electronics Engineers，2012：1-6.

[5]王金偉，杜太行，徐勤奇.塑殼斷路器瞬動保護可靠性檢測技術 [J].低壓電器，2011，12（12）：48-52.

[6]FrancisX.Chapman，BretHammonds.Theeffectof DC offseton instantaneousoperating characteristicsof low-voltage circuitbreakers[J].IEEE Transactionson industry application，1997，33（6）：1488-1492.

[7]王金偉，杜太行，李志達，江春冬.瞬動校驗電流評價與誤差分解方法 [J].低壓電器，2012，9（9）：5-8.

[8]孫明軒，嚴求真.迭代學習控制系統(tǒng)的誤差跟蹤設計方法 [J].自動化學報，2012，38（11）：1-12.

[9]杜太行，賈興建，韓春賢等.基于神經網絡的瞬動校驗電流控制技術的研究 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（10）：44-47.

[10]胡婷，游大海，金明亮.變壓器有載合閘的非線性數(shù)學模型及仿真 [J].中國電力，2006，39（11）：51-54.